霍爾效應實(shí)驗報告
在日常生活和工作中，報告使用的次數愈發(fā)增長(cháng)，報告中涉及到專(zhuān)業(yè)性術(shù)語(yǔ)要解釋清楚。一聽(tīng)到寫(xiě)報告就拖延癥懶癌齊復發(fā)？以下是小編收集整理的霍爾效應實(shí)驗報告，希望能夠幫助到大家。
一、實(shí)驗名稱(chēng):霍爾效應原理及其應用
二、實(shí)驗目的:
1、了解霍爾效應產(chǎn)生原理;
2、測量霍爾元件的、曲線(xiàn)，了解霍爾電壓與霍爾元件工作電流、直螺線(xiàn)管的勵磁電流間的關(guān)系;
3、學(xué)習用霍爾元件測量磁感應強度的原理和方法，測量長(cháng)直螺旋管軸向磁感應強度及分布;
4、學(xué)習用對稱(chēng)交換測量法(異號法)消除負效應產(chǎn)生的系統誤差。
三、儀器用具:YX-04型霍爾效應實(shí)驗儀(儀器資產(chǎn)編號)
四、實(shí)驗原理:
1、霍爾效應現象及物理解釋
霍爾效應從本質(zhì)上講是運動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛侖茲力作用而引起的偏轉。當帶電粒子(電子或空穴)被約束在固體材料中，這種偏轉就導致在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生正負電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場(chǎng)。對于圖1所示。
半導體樣品，若在x方向通以電流，在z方向加磁場(chǎng)，則在y方向即樣品A、A′電極兩側就開(kāi)始聚積異號電荷而產(chǎn)生相應的電場(chǎng)，電場(chǎng)的指向取決于樣品的導電類(lèi)型。顯然，當載流子所受的橫向電場(chǎng)力時(shí)電荷不斷聚積，電場(chǎng)不斷加強，直到樣品兩側電荷的積累就達到平衡，即樣品A、A′間形成了穩定的電勢差(霍爾電壓) 。
設為霍爾電場(chǎng)，是載流子在電流方向上的平均漂移速度;樣品的寬度為，厚度為，載流子濃度為，則有:
(1-1)
因為，，又根據，則
(1-2)
其中稱(chēng)為霍爾系數，是反映材料霍爾效應強弱的重要參數。只要測出、以及知道和，可按下式計算:
(1-3)
(1-4)
為霍爾元件靈敏度。根據RH可進(jìn)一步確定以下參數。
(1)由的符號(霍爾電壓的正負)判斷樣品的導電類(lèi)型。判別的方法是按圖1所示的和的方向(即測量中的+，+ )，若測得的<0(即A′的電位低于A(yíng)的電位)，則樣品屬N型，反之為P型。
(2)由求載流子濃度，即。應該指出，這個(gè)關(guān)系式是假定所有載流子都具有相同的漂移速度得到的。嚴格一點(diǎn)，考慮載流子的速度統計分布，需引入的修正因子(可參閱黃昆、謝希德著(zhù)《半導體物理學(xué)》)。
(3)結合電導率的測量，求載流子的遷移率。電導率與載流子濃度以及遷移率之間有如下關(guān)系:
(1-5)
2、霍爾效應中的副效應及其消除方法
上述推導是從理想情況出發(fā)的'，實(shí)際情況要復雜得多。產(chǎn)生上述霍爾效應的同時(shí)還伴隨產(chǎn)生四種副效應，使的測量產(chǎn)生系統誤差，如圖2所示。
(1)厄廷好森效應引起的電勢差。由于電子實(shí)際上并非以同一速度v沿y軸負向運動(dòng)，速度大的電子回轉半徑大，能較快地到達接點(diǎn)3的側面，從而導致3側面較4側面集中較多能量高的電子，結果3、4側面出現溫差，產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢�？梢宰C明。的正負與和的方向有關(guān)。
(2)能斯特效應引起的電勢差。焊點(diǎn)1、2間接觸電阻可能不同，通電發(fā)熱程度不同，故1、2兩點(diǎn)間溫度可能不同，于是引起熱擴散電流。與霍爾效應類(lèi)似，該熱擴散電流也會(huì )在3、4點(diǎn)間形成電勢差。若只考慮接觸電阻的差異，則的方向僅與磁場(chǎng)的方向有關(guān)。
(3)里紀-勒杜克效應產(chǎn)生的電勢差。上述熱擴散電流的載流子由于速度不同，根據厄廷好森效應同樣的理由，又會(huì )在3、4點(diǎn)間形成溫差電動(dòng)勢。的正負僅與的方向有關(guān)，而與的方向無(wú)關(guān)。
(4)不等電勢效應引起的電勢差。由于制造上的困難及材料的不均勻性，3、4兩點(diǎn)實(shí)際上不可能在同一等勢面上，只要有電流沿x方向流過(guò)，即使沒(méi)有磁場(chǎng)，3、4兩點(diǎn)間也會(huì )出現電勢差。的正負只與電流的方向有關(guān)，而與的方向無(wú)關(guān)。
綜上所述，在確定的磁場(chǎng)和電流下，實(shí)際測出的電壓是霍爾效應電壓與副效應產(chǎn)生的附加電壓的代數和�？梢酝ㄟ^(guò)對稱(chēng)測量方法，即改變和磁場(chǎng)的方向加以消除和減小副效應的影響。在規定了電流和磁場(chǎng)正、反方向后，可以測量出由下列四組不同方向的和組合的電壓。即:
，:
，:
，:
，:
然后求，，，的代數平均值得:
通過(guò)上述測量方法，雖然不能消除所有的副效應，但較小，引入的誤差不大，可以忽略不計，因此霍爾效應電壓可近似為
(1-6)
3、直螺線(xiàn)管中的磁場(chǎng)分布
1、以上分析可知，將通電的霍爾元件放置在磁場(chǎng)中，已知霍爾元件靈敏度，測量出和，就可以計算出所處磁場(chǎng)的磁感應強度。
(1-7)
2、直螺旋管離中點(diǎn)處的軸向磁感應強度理論公式:
(1-8)
式中，是磁介質(zhì)的磁導率，為螺旋管的匝數，為通過(guò)螺旋管的電流，為螺旋管的長(cháng)度，是螺旋管的內徑，為離螺旋管中點(diǎn)的距離。
X=0時(shí)，螺旋管中點(diǎn)的磁感應強度
(1-9)
五、實(shí)驗內容:
測量霍爾元件的、關(guān)系;
1、將測試儀的“調節”和“調節”旋鈕均置零位(即逆時(shí)針旋到底)，極性開(kāi)關(guān)選擇置“0”。
2、接通電源，電流表顯示“0.000”。有時(shí)，調節電位器或調節電位器起點(diǎn)不為零，將出現電流表指示末位數不為零，亦屬正常。電壓表顯示“0.0000”。
3、測定關(guān)系。取=900mA，保持不變;霍爾元件置于螺旋管中點(diǎn)(二維移動(dòng)尺水平方向14.00cm處與讀數零點(diǎn)對齊)。順時(shí)針轉動(dòng)“調節”旋鈕，依次取值為1.00，2.00，…，10.00mA，將和極性開(kāi)關(guān)選擇置“+”和“-”改變與的極性，記錄相應的電壓表讀數值，填入數據記錄表1。
4、以為橫坐標，為縱坐標作圖，并對曲線(xiàn)作定性討論。
5、測定關(guān)系。取=10 mA ,保持不變;霍爾元件置于螺旋管中點(diǎn)(二維移動(dòng)尺水平方向14.00cm處與讀數零點(diǎn)對齊)。順時(shí)針轉動(dòng)“調節”旋鈕，依次取值為0，100，200，…，900 mA，將和極性開(kāi)關(guān)擇置“+”和“-”改變與的極性，記錄相應的電壓表讀數值，填入數據記錄表2。
6、以為橫坐標，為縱坐標作圖，并對曲線(xiàn)作定性討論。
測量長(cháng)直螺旋管軸向磁感應強度
1、取=10 mA，=900mA。
2、移動(dòng)水平調節螺釘，使霍爾元件在直螺線(xiàn)管中的位置(水平移動(dòng)游標尺上讀出)，先從14.00cm開(kāi)始，最后到0cm點(diǎn)。改變和極性，記錄相應的電壓表讀數值，填入數據記錄表3，計算出直螺旋管軸向對應位置的磁感應強度。
3、以為橫坐標，為縱坐標作圖，并對曲線(xiàn)作定性討論。
4、用公式(1-8)計算長(cháng)直螺旋管中心的磁感應強度的理論值，并與長(cháng)直螺旋管中心磁感應強度的測量值比較，用百分誤差的形式表示測量結果。式中,其余參數詳見(jiàn)儀器銘牌所示。
六、注意事項:
1、為了消除副效應的影響，實(shí)驗中采用對稱(chēng)測量法，即改變和的方向。
2、霍爾元件的工作電流引線(xiàn)與霍爾電壓引線(xiàn)不能搞錯;霍爾元件的工作電流和螺線(xiàn)管的勵磁電流要分清，否則會(huì )燒壞霍爾元件。
3、實(shí)驗間隙要斷開(kāi)螺線(xiàn)管的勵磁電流與霍爾元件的工作電流，即和的極性開(kāi)關(guān)置0位。
4、霍耳元件及二維移動(dòng)尺容易折斷、變形，要注意保護，應注意避免擠壓、碰撞等，不要用手觸摸霍爾元件。
七、數據記錄:
KH=23.09，N=3150匝，L=280mm,r=13mm
表1關(guān)系( =900mA)
(mV) (mV) (mV) (mV)
1.00 0.28 -0.27 0.31 -0.30 0.29
2.00 0.59 -0.58 0.63 -0.64 0.61
3.00 0.89 -0.87 0.95 -0.96 0.90
4.00 1.20 -1.16 1.27 -1.29 1.23
5.00 1.49 -1.46 1.59 -1.61 1.54
6.00 1.80 -1.77 1.90 -1.93 1.85
7.00 2.11 -2.07 2.22 -2.25 2.17
8.00 2.41 -2.38 2.65 -2.54 2.47
9.00 2.68 -2.69 2.84 -2.87 2.77
10.00 2.99 -3.00 3.17 -3.19 3.09
表2關(guān)系( =10.00mA)
(mV) (mV) (mV) (mV)
0 -0.10 0.08 0.14 -0.16 0.12
100 0.18 -0.20 0.46 -0.47 0.33
200 0.52 -0.54 0.80 -0.79 0.66
300 0.85 -0.88 1.14 -1.15 1.00
400 1.20 -1.22 1.48 -1.49 1.35
500 1.54 -1.56 1.82 -1.83 1.69
600 1.88 -1.89 2.17 -2.16 2.02
700 2.23 -2.24 2.50 -2.51 2.37
800 2.56 -2.58 2.84 -2.85 2.71
900 2.90 -2.92 3.18 -3.20 3.05
表3關(guān)系=10.00mA，=900mA
(mV) (mV) (mV) (mV) B ×10-3T
0 0.54 -0.56- 0.73 -0.74 2.88
0.5 0.95 -0.99 1.17 -1.18 4.64
1.0 1.55 -1.58 1.80 -1.75 7.23
2.0 2.33 2.37- 2.88 -2.52 10.57
4.0 2.74 -2.79 2.96 -2.94 12.30
6.0 2.88 -2.92 3.09 -3.08 12.90
8.0 2.91 -2.95 3.13 -3.11 13.10
10.0 2.92 -2.96 3.13 -3.13 13.10
12.0 2.94 -2.99 3.15 -3.06 13.20
14.0 2.96 -2.99 3.16 -3.17 13.3
八、數據處理:
(作圖用坐標紙)
九、實(shí)驗結果:
實(shí)驗表明:霍爾電壓與霍爾元件工作電流、直螺線(xiàn)管的勵磁電流間成線(xiàn)性的關(guān)系。
長(cháng)直螺旋管軸向磁感應強度:
B=UH/KH*IS=1.33x10-2T
理論值比較誤差為: E=5.3%
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